خواص شیمیایی کائوچوی طبیعی

در کائوچوی طبیعی همواره مقدار کمی مواد غیر کائوچویی وجود دارد که با وجود اینکه مقدار این مواد بسیار کم می باشد ( 5تا8 درصد) ولی اثر عمیقی بر خواص کائوچو میگذارند . این مواد از ابتدا در شیرابه موجود بوده و مقدار آنها در کائوچوی خشک بستهه به روش تهیه ی آن متفاوت است. با این حال چون مقدار این مواد در شیرابه نیز در فصول مختلف و دفعات مختلف در طول روز شیرابه گیری تغییر میکند ، کائوچوهایی که در شرایط کاملا یکسان نیز تهیه میشوند خواص مشابهی ندارند. پروتئین مجود در کائوچو سبب فعال کردن سیستم پخت شده و تغیر آن خواص پس از پخت کائوچو را تغییر میدهد.
اسید های چرب،استرولها واسترها از اهمییت کمتری برخوردارند با این حال خاصیت ضد اکسیداسیونی در کائوچو ایجاد میکنند.
مقدار خاکستر موجود در کائوچوی طبیعی از این نظر که حاوی مس و منگنز است حائز اهمیت می باشد زیرا این دو ماده اثر کاتالیزوری قوی بر فرایند اکسیده شدن کائوچو دارند و در کائوچوهای با کیفیت بالا مقدار آنها باید کمتر از 001/0 درصد باشد . پوسته ی درخت نیز حاوی مقدار نسبتا زیادی منگنز است و به همین دلیل باید مقدار آن در کائوچو حداقل باشد.

بخش هیدرو کربنی کائوچوی طبیعی همانطور که قبلا گفته شد بیش از 99/99 درصد سیس 1و 4پلی ایزوپرن است که خواصی کاملا متفاوت از ترانس 1و4 پلی ایزوپرن (گوتاپرچا) دارد. وزن مولکولی متوسط پلی ایزوپرن در کائوچوی طبیعی از 200000 تا400000 تغییر میکند .یعنی در هر زنجیره حدود 3000 تا 5000 واحد ایزوپرن وجود دارد . بعلت همین توزیع وسیع وزن مولکولی است که فرایند پذیری کائوچوی طبیعی بسیار عالی ست.
در پلی ایزوپرن به ازای هر واحد ایزوپرن یک باند دوگانه وجود دارد . این باند دوگانه مانند یک باز عمل میکند و تمایل به واکنش با موادی که در واکنش های الکترون ستانی شرکت می کنند دارد. وجود گروه متیل در1و4 پلی ایزوپرن سبب افزایش فعالیت باند دوگانه شده و به همین دلیل است که کائوچوی طبیعی نسبت به SBR یا پلی بوتادین قابلیت واکنش با محدوده ی وسیع تری از مواد شیمیایی (از جمله مواد سیستم پخت ) را دارا می باشد.
کائوچوی طبیعی به دلیل وجود باند دوگانه (غیر اشباع بودن)به سهولت با عوامل اکسید کننده مانند پراکسید ها ،پراکسی اسید ها،پتاسیم پر منگنات،ازون،کلرو... واکنش میدهد. از طرفی چون NR حاوی مقداری ضد اکسید کننده است امکان نگهداری آن برای مدت طولانی در شرایط معمولی وجود دارد . با این حال با افزایش دما و یا قرار گرفتن در معرض نور،NR اکسیده میشود و هیدروپراکسید ها در آن تشکیل میشوند. وجود حتی مقدار کمی نمکهای مس و منگنز سبب می شود که این هیدروپراکسیدها به رادیکال فعال تبدیل شده و عمل اکسیداسیون پلیمر ادامه یابد.

نانوتکنولوژی

یک نانولوله، لوله ای کوچک، طویل، نازک، قوی و توخالی است که از قطر خارجی یک نانومتر برخوردار است. این لوله از اتم هایی چون کربن تشکیل می شود. نانولوله ها در مقوله تکنولوژی از اهمیت بالایی برخوردارند. این لوله ها وقتی به شیوه خاصی ساخته می شوند، از توانایی انتقال جریان برق یا قابلیت رسانایی بهره می برند. اما زمانی که به شیوه ای دیگر شکل می‌گیرند، همچون نیمه رساناهای الکتریکی عمل می کنند به طوری که با پیدا کردن راه خود از میان عایق‌ها، جریان الکتریسیته را هدایت می کنند. نیمه رساناها امکان کوچک کردن ترکیبات الکتریکی را فراهم می سازند و نانولوله ها به تناسب شیوه ساخته شدن از هر دو خاصیت رسانایی یا نیمه رسانایی برخوردار هستند. همچنین نانولوله ها از فولاد قوی ترند و از آنها می توان برای ساخت مواد سبک وزن خیلی سخت استفاده کرد. اگرچه نانولوله های کربنی ۱۵ سال پیش کشف شدند، اما عملکرد آنها به دلیل روش های پیچیده، خطرناک و گران قیمت تولیدی ناشناخته باقی ماند. این در حالی است که محققان "گودارد" روندی ساده تر، ایمن تر و ارزان تر را برای ساخت این نانولوله های کربنی مورد استفاده قرار دادند. نکته کلیدی در تحقیق این دانشمندان ساخت مجموعه ای از نانولوله ها بدون استفاده از فلز بود تا علاوه بر کاهش هزینه ها، کیفیت مواد تولیدی را فزایش دهند. بنا بر گزارش پایگاه اطلاع رسانی نانوتکنولوژی، اوایل سال جاری مرکز "گودارد" ناسا حق انحصاری فناوری ساخت نانولوله های کربنی تک جداره با کیفیت خود را به تجهیزات فضایی "آیداهو" واگذار کرد. اکنون نانولوله های کربنی مبتنی بر این روند تولیدی توسط محققان و شرکت هایی مورد استفاده قرار می گیرد که در موارد مختلفی چون ساخت مواد جدیدی از سرامیک و پلیمر فعالیت دارند. پلیمرها مولکول های کوچکی هستند که در زنجیره های طولانی و تکراری همچون Dna جای می گیرند. این مواد در پروتئین، نشاسته موجود در غذاها و پلاستیک نیز یافت می شوند. دانشمندان معتقدند: با بهره گیری از تکنولوژی نانولوله های کربنی می توان امکان زندگی بهتر را در ابعاد مختلفی همچون دستیابی به پیشرفت های پزشکی و سوخت های فسیلی و خورشیدی برای مردم به وجود آورد.

لوله های کامپوزیتی

مواد اولیه : الیاف ، رزین ها ، و دیگر پرکننده ها

لوله های FRP با استفاده از تقویت کننده های الیاف شیشه ، رزین های گرما سخت ، مواد linerviel و انواع دیگر افزودنی ها ساخته می شوند . الیاف تقویت کننده معمولا ً از جنس الیاف شیشه E است . مشخصات اسمی الیاف شیشه E عبارتند از سفتی کششی در حدود 72400 مگا پاسکال ، استحکام کششی در حدود 3450 تا 3800 مگا پاسکال و درصد افزایش طول در حدود 4 تا 5 درصد . انواع دیگری از الیاف در این رده عمومی وجود دارند که نیازهای گوناگون مقاومت به خوردگی را برطرف می کنند اما الیاف شیشه E تا حدودی تمام بازار را تحت سلطه خود درآورده است . الیاف تقویت کننده دیگری برای کاربردهای ویژه و شرایط خورنده منحصربه فرد وجود دارد مانند FCR ، C ، AR و جز آن . الیاف تقویت کننده بسته به فرآیند ساخت لوله و تحمل بار مورد نیاز ، تغییر می کنند . الیاف تک جهته تابیده شده ، الیاف کوتاه ، تقویت کننده های رشته ای ، نمد ، الیاف بافته شده و انواع دیگر الیاف درساخت لوله های FRP کاربرد گسترده ای دارند .
درصد وزنی الیاف به طراحی محصول نهایی وابسته خواهد بود . جهت الیاف ، شیوه چیدمان لایه ها روی هم و تعداد لایه های تقویت کننده ، ویژگی های مکانیکی ، سفتی و استحکام واقعی لوله را تعیین می کند . رزین مورد استفاده در ساخت لولۀ FRP ویژگی های خاص خود را دارد . درحالی که ویژگی های استحکام و سفتی رزین چندین بار کم تر از الیاف است ، رزین نقش اساسی را ایفا می کند . رزین های گرما سخت گروه عمده ای هستند که در ساخت لوله FRP به کار می روند . رزین به عنوان چسب عمل کرده و الیاف را در ساختار لایه ای محصول پخت شده به هم متصل می کند . رزین در برابر خوردگی ناشی از عبور گازها و سیالات از درون لوله مقاومت می کند . مشخصات فیزیکی و شیمیایی رزین ، مقاومت حرارتی که به شکل یک مشخصه که دمای انتقال شیشه ای ، Tg ، نامیده می شود و ویژگی های روش ساخت نقشی کلیدی در طراحی لوله ایفا می کنند . درحالی که رزین های پلی استر ، وینیل استر و اپوکسی قصد تسلط بر بازار لوله های FRP را دارند ، رزین های دیگری نیز وجود دارند که مقاومت به خوردگی منحصر به فردی ایجاد می کنند . پلی استرها اغلب برای تولید لوله هایی با قطر زیاد استفاده می شوند . وینیل استرها مقاومت به خوردگی بیشتری معمولا ً در برابر مایعات خورنده قوی مانند اسیدها و سفیدکننده ها دارند . رزین اپوکسی معمولا ً برای لوله هایی با قطر کم تراز 750 میلی متر و فشارهایی در حدود 8/20 مگا پاسکال تا 6/34 مگا پاسکال استفاده می شوند .

طراحی و تولید لوله های FRP اغلب به اجزای افزودنی نیز نیاز دارد . بیشترین افزودنی ها به شکل دهی رزین های گرما سخت کمک می کنند و همچنین ممکن است برای تکمیل واکنش های شیمیایی و پخت چند لایی مورد نیاز باشند . کاتالیزورها و سخت کننده ها در این دسته قرار می گیرند . پرکننده ها ممکن است به علت مسایل اقتصادی و یا افزایش کارایی استفاده شوند . بعضی از لوله ها به ویژه لوله های گرانشی به شدت به سفتی خمشی بالایی نیاز دارند . در مورد لوله های زیر خاک ، سفتی خمشی با عامل EI اندازه گیری می شود که حاصل ضرب سفتی چندلایی کامپوزیتی E و ممان اینرسی سطح مقطع لوله I است . سفتی چندلایی E را می توان با تغییر جهت الیاف و افزایش حجم الیاف و موارد دیگر افزایش داد . از آنجایی که ممان اینرسی I با توان سوم ضخامت دیوار نسبت دارد ؛ هرگونه کوششی برای افزایش ضخامت دیواره ، ممان اینرسی را به طور چشمگیری افزایش می دهد . در نتیجه بعضی از لوله های گرانشی با افزودن شن در مرحله تولید ساخته می شوند . افزایش شن مایۀ افزایش ضخامت دیواره و در نتیجه افزایش ممان اینرسی و افزایش عامل EI می شود . این کار افزایش سفتی با استفاده از ماده نسبتا ً ارزان مانند شن نامیده می شود . بنابراین شن می تواند یک افزودنی مهم در ساخت لولۀ FRP باشد .

چندین روش برجسته در صنعت

لوله های FRP به دو روش اصلی ساخته می شوند : ریخته گری گریز از مرکز و پیچش الیاف . با این وجود روش های بسیار متغیر و بهبود یافته ای در این سالها ایجاد شده است . در روش ریخته گری گریز از مرکز ، الیاف درون یک لولۀ فولادی قالب قرار داده می شوند . مواد تقویت کننده خشک هستند و در این مرحله به رزین آغشته نمی شوند . لایه چینی ویژه مواد در لوله فولادی به وسیله مهندس طراح و با توجه به کارآیی نهایی مورد نیاز ، مشخص می شود . هنگامی که الیاف در سر جای خود قرار گرفتند ، لوله فولادی با سرعت بالایی آغاز به چرخیدن می کند . رزین مایع در مرکز لوله پاشیده می شود و با توجه به نیروی گریز از مرکز ، تقویت کننده خشک را آغشته می کند . پوسته کامپوزیتی در حال چرخش با استفاده از گرما به لوله ای با سطح داخلی و خارجی صاف تبدیل می شود . سطح داخلی ، اغلب یک سطح هموار و غنی از رزین است .
روش شرح داده شده ، روش ریخته گری گریز از مرکز معمولی و متداول است . الیاف بافته شده ، پارچه و نمدهای سوزنی از مواد ساختاری این روش هستند . درصد وزنی الیاف دراین روش ساخت ، معمولا ً بین 20 تا 35 درصد است . می توان با استفاده از بافت های متراکم تر با افزایش سرعت چرخش برای دست یابی به فشردگی بیشتر به درصد وزنی الیاف بالاتری دست یافت .
برای ساخت لوله های گرانشی با قطرهای زیاد که سفتی لوله یک عامل بحرانی است و به سختی حاصل می شود ، اغلب اوقات از روش بهینه شده ای به نام ریخته گری گریز از مرکز Hobas استفاده می شود . روش Hobas شبیه به ریخته گری گریز از مرکز معمولی است ، افزون براین که برای افزایش عامل EI ، شن نیز به مواد اولیه افزوده می شود . این روش اغلب در قطرهای بزرگ تر از 500 میلی متر استفاده می شود و شن بخش عمده ای از سازه خواهد شد . درصد وزنی الیاف حدود 20 درصد است . درصد وزنی رزین 35 درصد و مقدار شن 45 درصد وزنی است . بنابراین درصد بالای شن باعث افزایش سفتی مقطع I می شود ولی سفتی الاستیک E را افزایش نمی دهد . به خاطر اینکه شن یک ماده ساختاری نیست ، از لولۀ Hobas به عنوان لوله گرانشی استفاده می شود نه لوله فشاری . در فرآیند پیچش الیاف ، پوسته ای پیرامون یک سنبه چرخان با قطری برابر با قطر داخلی لوله به طور پیوسته پیچیده می شود و به طور کلی در این روش ، تغییراتی ایجاد شده است . در فرآیند پیچش الیاف دو جهته یا مارپیچی ، الیاف تحت زاویه و به صورت مارپیچی روی سنبه پیچیده می شود ، تا هنگامی که تمام سطح پر شود و تعداد لایه های درست روی هم چیده شود . زاویه پیچش معمولا ً در محدوه زاویه بهینه تئوری و بین 55 تا 75 درجه است . طراحی ، زاویه پیچش مناسب را مشخص می کند . این روش بیشترین سفتی E و استحکام را ایجاد می کند ؛ چون الیاف پیوسته هستند نه بریده شده و می توان به درصد وزنی الیاف 60 تا 80 درصد رسید .
یک نسخه بهینه شده این روش ، روش پیچش الیاف پیوسته Drostholm است که برای ساخت لوله های پیوسته نوآوری شده است . در این روش یک سنبه انعطاف پذیر به کار می رود که پس از پخت لوله و حرکت لوله به جلو به جای اول خود برمی گردد . به خاطر اینکه در این روش لایه چینی به صورت کاملا ً مارپیچی امکان ندارد ، پیچش الیاف به صورت حلقه ای 90 درجه انجام می شود و بین لایه های محیطی الیاف کوتاه پاشیده می شود ، ممکن است پرکننده های شنی و الیاف نمدی نیز به کار روند . درهر حال الیاف محیطی بریده شده ساختار اولیه هستند . درصد وزنی الیاف در این روش بین 45 تا 70 درصد است . در حالت ثابت بودن طول لوله که از پیچش الیاف به صورت محیطی به همراه الیاف کوتاه استفاده می شود ، این فرآیند پیچش حلقوی کوتاه Chop-Hoop Winding نامیده می شود . ممکن است از شن نیز در این روش استفاده شود . با این کار درصد وزنی الیاف نیز به 45 تا 65 درصد کاهش می یابد .
ممکن است بر سر این که کدام یک از این روش ها بهینه است ، بحث باشد . با این وجود بحث های فنی کلیدی معمولا ً پیرامون اثر افزایش شن بر روی ویژگی های مکانیکی چند لایی کامپوزیت FRP است . اثرات دراز مدت تحمل بار و رفتار خزشی در حضور پرکننده شنی در سالهای اخیر مورد توجه بوده است .

 امیدوارم بدرتون بخوره از امیر حسین محققی  هم خیلی ممنون هستم